Lacroix
Les constructions en cage fabriquées avec des nanoparticules pourraient être une voie vers la fabrication de nanostructures organisées avec des matériaux mixtes, et des chercheurs de l’Université du Michigan ont montré remark y parvenir grâce à des simulations informatiques.
Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles voies pour les matériaux photoniques qui manipulent la lumière d’une manière que les cristaux naturels ne peuvent pas. Il a également présenté un effet inhabituel que l’équipe appelle la compartimentation de l’entropie.
“Nous développons de nouvelles façons de structurer la matière à travers les échelles, en découvrant les possibilités et les forces que nous pouvons utiliser”, a déclaré Sharon Glotzer, directrice du département de génie chimique d’Anthony C. Lembke, qui a dirigé l’étude publiée aujourd’hui dans Nature Chemistry. “Les forces entropiques peuvent stabiliser des cristaux encore plus complexes que nous ne le pensions.”
Alors que l’entropie est souvent expliquée comme un désordre dans un système, elle reflète in addition précisément la tendance du système à maximiser ses états possibles. Souvent, cela se termine par un désordre au sens familier. Les molécules d’oxygène ne se blottissent pas dans un coin, elles s’étalent pour remplir une pièce. Mais si vous les mettez dans la bonne taille de boîte, ils s’ordonneront naturellement dans une construction reconnaissable.
Les nanoparticules font la même chose. Auparavant, l’équipe de Glotzer avait montré que les particules bipyramides – comme deux courtes pyramides à trois côtés collées ensemble à leurs bases – formeront des buildings ressemblant à celle de la glace de feu si vous les mettez dans une boîte suffisamment petite. La glace de feu est constituée de molécules d’eau qui forment des cages autour du méthane, et elle peut brûler et fondre en même temps. Cette material se trouve en abondance sous le plancher océanique et est un exemple de clathrate. Les buildings de clathrate sont à l’étude pour une gamme d’applications, telles que le piégeage et l’élimination du dioxyde de carbone de l’atmosphère.
Contrairement aux clathrates d’eau, les constructions antérieures de clathrate de nanoparticules n’avaient pas de lacunes à combler avec d’autres matériaux qui pourraient offrir de nouvelles possibilités intéressantes pour modifier les propriétés de la construction. L’équipe voulait changer cela.
“Cette fois, nous avons étudié ce qui se passe si nous modifions la forme de la particule. Nous avons pensé que si nous tronquions un peu la particule, cela créerait de l’espace dans la cage faite par les particules bipyramides”, a déclaré Sangmin Lee, récemment diplômé d’un doctorat. en génie chimique et leading auteur de l’article.
Il a retiré les trois coins centraux de chaque bipyramide et a découvert le issue idéal où des espaces apparaissaient dans la construction, mais les côtés des pyramides étaient encore suffisamment intacts pour ne pas commencer à s’organiser d’une manière différente. Les espaces se sont remplis de bipyramides in addition tronquées alors qu’elles étaient la seule particule du système. Lorsqu’une deuxième forme a été ajoutée, cette forme est devenue la particule invitée piégée.
Glotzer a des idées sur la façon de créer des côtés collants de manière sélective qui permettraient à différents matériaux d’agir comme des cages et des particules invitées, mais dans ce cas, il n’y avait pas de colle pour maintenir les bipyramides ensemble. Au lieu de cela, la structure a été complètement stabilisée par l’entropie.
“Ce qui est vraiment fascinant, en regardant les simulations, c’est que le réseau hôte est presque gelé. Les particules hôtes bougent, mais elles bougent toutes ensemble comme un seul objet rigide, ce qui est exactement ce qui se passe avec les clathrates d’eau”, a déclaré Glotzer. “Mais les particules invitées tournent comme des folles, comme si le système déversait toute l’entropie dans les particules invitées.”
C’était le système avec le additionally de degrés de liberté que les bipyramides tronquées pouvaient construire dans un espace limité, mais presque toute la liberté appartenait aux particules invitées. Le méthane dans les clathrates d’eau tourne aussi, disent les chercheurs. De additionally, lorsqu’ils ont retiré les particules invitées, la construction a jeté des bipyramides qui faisaient partie de la structure de la cage en réseau à l’intérieur de la cage – il était as well as important d’avoir des particules en rotation disponibles pour maximiser l’entropie que d’avoir des cages complètes.
“La compartimentation de l’entropie. N’est-ce pas amazing? Je parie que cela se produit également dans d’autres systèmes – pas seulement les clathrates”, a déclaré Glotzer.
Thi Vo, un ancien chercheur postdoctoral en génie chimique à l’UM et maintenant professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l’Université Johns Hopkins, a contribué à l’étude.
Cette étude a été financée par le Département de l’énergie et l’Office of Naval Study, avec des ressources informatiques fournies par l’Extreme Science and Engineering Discovery Surroundings de la National Science Foundation et l’Université du Michigan.
Glotzer est également professeur émérite d’ingénierie de l’Université John Werner Cahn, professeur collégial Stuart W. Churchill de génie chimique et professeur de science et d’ingénierie des matériaux, de science et d’ingénierie macromoléculaires et de physique.
